使用一次側(cè)回授的 4.2 W GU10 LED 照明驅(qū)動器

摘要

本文將向您介紹一款使用了 TI 離線一次側(cè)傳感控制器 TPS92310 的低功耗 LED 照明驅(qū)動器解決方案。由于使用了恒定的導(dǎo)通時間反激拓撲以及一次側(cè)傳感控制，該解決方案可以實現(xiàn)高效率以及良好的線壓和負載調(diào)節(jié)功能。就 GU10 替代 LED 燈泡而言，參考設(shè)計 PMP4325 具有合適的小外形尺寸(30mm×18mm×10mm)，其可支持常見的 AC 線路輸入以及 3 或 4 個 LED 串聯(lián)輸出，恒定輸出電流為 350mA。實驗顯示，就LED 照明而言，該解決方案具有良好的線壓和負載調(diào)節(jié)功能、高效率以及整體LED照明保護功能。

1　理論操作

1.1 TPS92310 控制器

對于額定功率較低的 LED 照明來說，單級反激結(jié)構(gòu)是一款頗具吸引力的拓撲結(jié)構(gòu)。單級反激結(jié)構(gòu)之所以能夠廣泛用于 LED 照明，其原因如下：

l 電隔離減少了總體物料清單成本 (BOM)

l 使用特殊控制架構(gòu)(例如：恒定導(dǎo)通時間控制等)的高功率因數(shù)

l 相比其他雙級拓撲結(jié)構(gòu)，外形尺寸更小

盡管單級反激結(jié)構(gòu)用于 LED 照明時擁有諸多優(yōu)點，但仍然有一些問題需要解決。這些問題包括：

l 高功率因數(shù)

l 穩(wěn)定的線壓和負載調(diào)節(jié)，實現(xiàn)一次側(cè)回授 (PSR)

l LED 開路或者短路保護

TI TPS92310 控制器是一種單級一次側(cè)傳感 AC/DC 控制器，用于驅(qū)動高亮度 LED 的恒定電流。它工作在零電流檢測轉(zhuǎn)換模式 (TM) 下。線壓半周期內(nèi)，“導(dǎo)通時間”(TON) 幾乎恒定不變。因此，它本身便具有功率因數(shù)校正 (PFC)，因為主繞組的峰值電流，隨輸入線壓曲線變化而變化。對 TON 進行調(diào)節(jié)，以便將 LED 電流調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)水平，而該水平由一個外部檢測電阻器設(shè)置。TON 同時也用于反激、升壓以及降升壓轉(zhuǎn)換器的控制設(shè)計。這種轉(zhuǎn)換器工作在轉(zhuǎn)換模式下，使用固定不變的導(dǎo)通時間控制來達到高功率因數(shù)。另外，TON 還可用于對工作在轉(zhuǎn)換模式的降壓轉(zhuǎn)換器進行控制，其通用 LED 驅(qū)動器使用峰值電流控制。

一次側(cè)檢測不要求使用光耦合器和二次側(cè)電路，因此組件數(shù)目更少，PCB 解決方案也更緊湊。另外，這種控制器還擁有逐周期電流限制、輸出短路保護、輸出過壓保護 (OVP) 或者開路 LED 保護、短路 LED 保護以及熱關(guān)機保護等功能，而所有這些功能都為 LED 照明提供了保護措施。

1.2 恒定導(dǎo)通時間控制

在傳統(tǒng)升壓功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器中，恒定導(dǎo)通時間控制的轉(zhuǎn)換模式通常用于讓輸入電流與輸入電壓保持同相，以獲得高功率因數(shù)和低總諧波失真 (THD)。

對于工作在轉(zhuǎn)換模式下的單級反激拓撲結(jié)構(gòu)來說，它并非本身固有的功率因數(shù)校正，因為占空比和頻率在形狀循環(huán)期間始終會不斷變化。因此，在這種條件下，功率因數(shù)和總諧波失真都不理想。幸運的是，過濾模式下工作的單級反激拓撲使用固定(恒定)TON，仍然可以達到高功率因數(shù)和低總諧波失真。如圖 1 所示，平均輸入電流為一個近似正弦波，且其相位與輸入電壓相同。

圖 1 TON 和 TOFF 期間電流波形

本設(shè)計中，TPS92310 控制器被配置在恒定導(dǎo)通時間控制模式下，如果用一個大容量電容器連接至 COMP 引腳，以對單級反激應(yīng)用的 100-Hz 線壓紋波進行濾波，則開關(guān)的開啟時間可以固定不變。但是，為了降低電路板的體積，該參考設(shè)計并非為一種沒有功率因數(shù)校正功能的單級結(jié)構(gòu)，因此我們使用了一個小容量補償電容器，目的只是保持控制環(huán)路的穩(wěn)定性。由于反激結(jié)構(gòu)的 DC 輸入電壓較穩(wěn)定，因此該開啟時間幾乎固定不變。

1.3 一次側(cè)檢測的恒定電流控制

據(jù)此，圖 2 顯示了一次電流、二次電流和 Vds 電壓，平均輸出電流 Io 的計算方法如下：

其中：

2 × Tdly =MOSFET 漏極上振鈴時間的一半

N=一次繞組與二次級繞組的變壓器匝數(shù)比

Ip_pk=一次電流

Is_pk=二級電流

Io=平均輸出電流(LED 電流)

圖 2 電流及 Vds 電壓波形

為了調(diào)節(jié)輸出電流，該轉(zhuǎn)換器使用了一個 PWM 控制電路，如圖 3 所示。這種電路包括了充電和放電工作模式。充電工作模式由內(nèi)部基準(zhǔn)電流IREF × time (TON + TOFF + 2TDLY)控制。放電工作模式由 TOFF 開關(guān)和 Ipk 電流源控制，其與一次側(cè)峰值電流成比例關(guān)系。COMP 電壓電平可代表柵極驅(qū)動 TON。

在正常運行期間，如果放電 Q(Ipk × TOFF) 大于充電 Q (IREF × (TON + TOFF +2TDLY))，則 COMP 引腳電壓下降，結(jié)果柵極輸出 TON 在下一個周期時增加。另外，如果充電 Q(IREF × (TON + TOFF + 2TDLY)) 大于放電 Q (Ipk ×TOFF)，則 VCOMP 上升，柵極驅(qū)動器輸出TON在下一個周期增加。如果充電 Q 等于放電 Q，則VCOMP電壓穩(wěn)定。因此，當(dāng)大容量電容器連接至COMP引腳對 100-HZ 線壓紋波進行濾波時，在半個正弦周期產(chǎn)生一個固定導(dǎo)通時間，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。在沒有使用功率因數(shù)校正維持環(huán)路穩(wěn)定情況下，并且僅用于反激拓撲結(jié)構(gòu)時，可以使用一個小容量電容器連接 COMP 引腳。

圖 3 充電和放電方塊圖

該控制器實現(xiàn)了一次電流反饋與調(diào)節(jié)，以維持恒定輸出 LED 電流。圖 4 顯示了 TPS92310 控制器的方塊圖。紅色虛線表示一個主控制回路。

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